Das Enzym Methyl-Coenzym-M-Reduktase (Mcr) katalysiert den letzten Schritt der biologischen Methanbildung.B. Jaun, R. K. Thauer: Methyl-Coenzyme M Reductase and its Nickel Corphin Coenzyme F430 in Methanogenic Archaea. In: Astrid Sigel, Helmut Sigel, Roland K. O. Sigel: Nickel and Its Surprising Impact in Nature: Metal Ions in Life Sciences. Band 2, John Wiley & Sons 2007, ISBN 978-0470028124, 323–356. In der katalytischen Reaktion wird der Methylthioether Methyl-Coenzym M mit dem Thiol Coenzym B zu Methan und dem entsprechenden Heterodisulfid umgesetzt:

Me-S-CoM + CoB-SH → CH4 + CoB-S-S-CoM ΔG°’ = −30 kJ mol−1

Vorkommen und Funktion Methyl-Coenzym-M-Reduktase kommt in allen methanogenen Archäen vor, unabhängig ob das Substrat CO2, Formiat, Kohlenstoffmonoxid, Acetat oder eine Methylgruppe (Methanol, Dimethylsulfid oder Methylamin) ist.Rudolf K. Thauer: Biochemistry of methanogenesis: a tribute to Marjory Stephenson: 1998 Marjory Stephenson Prize Lecture. In: Microbiology. 144, Nr. 9, 1998, S. 2377–2406, , PMID 9782487. In aneroben methanotrophen archaeen (ANME Archäen) wird Methyl-Coenzym-M-Reduktase zur Methanaktivierung verwendet.Steven J. Hallam, Nik Putnam, Christina M. Preston, John C. Detter, Daniel Rokhsar, Paul M. Richardson, Edward F. DeLong: Reverse Methanogenesis: Testing the Hypothesis with Environmental Genomics. In: Science. 305, Nr. 5689, 2004, S. 1457–1462, , PMID 15353801. Methan wird dabei zu Methyl-Coenzym M umgesetzt.Silvan Scheller, Meike Goenrich, Reinhard Boecher, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: The key nickel enzyme of methanogenesis catalyses the anaerobic oxidation of methane. In: Nature. 465, Nr. 7298, 2010, S. 606–608, .

Funktion als phylogenetischer Marker Weil die Methyl-Coenzym-M-Reduktase in allen methanogenen und methanotrophen Archäen vorkommt, kann das mcrA-Gen als phylogenetischen Marker für diese Organismen verwendet werden.Michael W. Friedrich: Methyl‐Coenzyme M Reductase Genes: Unique Functional Makers for Methanogenic and Anaerobic Methane‐Oxidizing Archaea. In: Methods in Enzymology. Volume 397,2005, , S. 428–442.

Struktur Methyl-coenzym-M-Reduktase besteht aus drei verschiedenen Proteinketten, welche als C2-symmetrischer α2β2γ2-Komplex zusammengesetzt sind. Zwei Moleküle des Nickel-Hydrocorphinats F430 bilden die aktiven Stellen. Methyl-Coenzym-M-Reduktase konnte von Methanogenen, als auch von Methanotrophen Organismen kristallisiert werden und die entsprechenden Röntgenstrukturen sind veröffentlicht.Ulrich Ermler, Wolfgang Grabarse, Seigo Shima, Marcel Goubeaud, Rudolf K. Thauer: Crystal Structure of Methyl-Coenzyme M Reductase: The Key Enzyme of Biological Methane Formation. In: Science. 278, Nr. 5342, 1997, S. 1457–1462, , PMID 9367957.Seigo Shima, Martin Krueger, Tobias Weinert, Ulrike Demmer, Jörg Kahnt, Rudolf K. Thauer, Ulrich Ermler: Structure of a methyl-coenzyme M reductase from Black Sea mats that oxidize methane anaerobically. In: Nature. 481, Nr. 7379, 2012, S. 98–101, .

Aktivierung von Methyl-Coenzym-M-Reduktase Das Enzym ist nur katalytisch aktiv, wenn das Nickelion im Cofaktor F430 im Oxidationszustand Ni(I) vorliegt.S. Rospert, R. Böcher, S. P. J. Albracht, R. K. Thauer: Methyl-coenzyme M reductase preparations with high specific activity from H2-preincubated cells of Methanobacterium thermoautotrophicum. In: FEBS Letters. 291, Nr. 2, 1991, S. 371–375, . Im stabileren Oxidationszustand Ni(II) ist das Enzym inaktiv und muss mittels eines ATP-abhängigen Enzymkomplex in die aktive Ni(I)-Form überführt werden.Divya Prakash, Yonnie Wu, Sang-Jin Suh, Evert C. Duin: Elucidating the Process of Activation of Methyl-Coenzyme M Reductase. In: Journal of Bacteriology. 196, Nr. 13, 2014, S. 2491–2498, , PMID 24769699.

Reaktion Die enzymatische Reaktion stellt eine Umsetzung eines Alkylthioethers (Methyl-Coenzym M) mit einem Thiol (Coenzym B) zu einem Alkan (Methan) und einem Disulfid (CoB-S-S-CoM) dar. Eine solche chemische Reaktion konnte bislang noch nie im Labor durchgeführt werden.Silvan Scheller, Meike Goenrich, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: Methyl-Coenzyme M Reductase from Methanogenic Archaea: Isotope Effects on the Formation and Anaerobic Oxidation of Methane. In: Journal of the American Chemical Society. 135, Nr. 40, 2013, S. 14975–14984, . Die Aufklärung des Reaktionsmechanismus ist deshalb für Chemiker von besonderem Interesse.

Mechanismus Der Reaktionsmechanismus von Methyl-Coenzym-M-Reduktase ist immer noch unklar.

Zwischenprodukte Mit den natürlichen Substraten konnte gezeigt werden, dass Zwischenprodukte gebildet werden, es konnte jedoch noch nie ein Zwischenprodukt spektroskopisch charakterisiert werden, das auf dem natürlichen Katalyseweg vorkommt.Silvan Scheller, Meike Goenrich, Stefan Mayr, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: Zwischenprodukte im Katalysezyklus von Methyl-Coenzym-M-Reduktase: Das Muster des Isotopenaustauschs ist in Einklang mit der Bildung eines σ-Alkan-Nickel-Komplexes. In: Angewandte Chemie. 122, Nr. 44, 2010, S. 8289–8292, . Studien mit Inhibitoren und analogen Substraten zeigen, dass das Enzym die Fähigkeit besitzt Ni-H-,Jeffrey Harmer u. a.: A Nickel Hydride Complex in the Active Site of Methyl-Coenzyme M Reductase: Implications for the Catalytic Cycle. In: Journal of the American Chemical Society. 130, Nr. 33, 2008, S. 10907–10920, . Ni-C-B. Jaun, R. K. Thauer, Met. Ions Life Sci. 2009, 6, 115;R. Sarangi, M. Dey, S.W. Ragsdale, Biochemistry 2009, 48, 3146Na Yang, Markus Reiher, Mi Wang, Jeffrey Harmer, Evert C. Duin: Formation of a Nickel-Methyl Species in Methyl-Coenzyme M Reductase, an Enzyme Catalyzing Methane Formation. In: Journal of the American Chemical Society. 129, Nr. 36, 2007, S. 11028–11029, .Dariush Hinderberger, Rafal P. Piskorski, Meike Goenrich, Rudolf K. Thauer, Arthur Schweiger, Jeffrey Harmer, Bernhard Jaun: A Nickel–Alkyl Bond in an Inactivated State of the Enzyme Catalyzing Methane Formation. In: Angewandte Chemie International Edition. 45, Nr. 22, 2006, S. 3602–3607, . und Ni-S-BindungenJeffrey Harmer u. a.: Spin Density and Coenzyme M Coordination Geometry of the ox1 Form of Methyl-Coenzyme M Reductase:  A Pulse EPR Study. In: Journal of the American Chemical Society. 127, Nr. 50, 2005, S. 17744–17755, . einzugehen, welche alle durch ESR-Spektroskopie bewiesen werden konnten.

SN2-Mechanismus Ein SN2-Mechanismus wäre analog zu Vitamin B12 als Supernukleophil.David Dophin: Preparation of the reduced forms of vitamin B12 and of some analogs of the vitamin B12 coenzyme containing a cobalt-carbon bond. In: D. Dolphin: Donald B. McCormick and Lemuel D. Wright (Hrsg.): Methods in Enzymology. Volume 18, Part C, 1971, , S. 34–52. In einem solchen Mechanismus würde Ni(I) (analog zu Co(I)) die Methylgruppe von Methyl-Coenzym-M nucleophil angreifen und zu Methyl-Ni(III) führen (analog zu Methyl-Co(III)). Methyl-Ni(III) würde dann reduziert und zu Methan protoniert.Bernhard Jaun: Coenzyme F430 from Methanogenic Bacteria: Oxidation of F430 Pentamethyl Ester to the Ni(III) Form. In: Helvetica Chimica Acta. 73, Nr. 8, 1990, S. 2209–2217, .Xianghui Li, Joshua Telser, Ryan C. Kunz, Brian M. Hoffman, Gary Gerfen, Stephen W. Ragsdale: Observation of Organometallic and Radical Intermediates Formed during the Reaction of Methyl-Coenzyme M Reductase with Bromoethanesulfonate. In: Biochemistry. 49, Nr. 32, 2010, S. 6866–6876, . Dieser Mechanismus ist in der Lage die Inversion am Kohlenstoff zu erklären, welche mit Hilfe von chrialem Ethyl-Coenzym M gezeigt werden konnte.Yonghyun Ahn, Joseph A. Krzycki, Heinz G. Floss: Steric course of the reduction of ethyl coenzyme M to ethane catalyzed by methyl coenzyme M reductase from Methanosarcina barkeri. In: Journal of the American Chemical Society. 113, Nr. 12, 1991, S. 4700–4701, . Experimentell bestimmte kinetische Isotopeneffekte scheinen einen SN2-Mechanismus jedoch auszuschließen.

Radikalmechanismus Ein radikalischer MechanismusVladimir Pelmenschikov, Margareta R. A. Blomberg, Per E. M. Siegbahn, Robert H. Crabtree: A Mechanism from Quantum Chemical Studies for Methane Formation in Methanogenesis. In: Journal of the American Chemical Society. 124, Nr. 15, 2002, S. 4039–4049, .Shi-Lu Chen, Margareta R. A. Blomberg, Per E. M. Siegbahn: An investigation of possible competing mechanisms for Ni-containing methyl–coenzyme M reductase. In: Physical Chemistry Chemical Physics. 16, Nr. 27, 2014, S. 14029–14035, . ist kompatibel mit den kinetischen Isotopeneffekten. Es ist jedoch unklar, wie eine Inversion mit chiralem Ethyl-Coenzym M gemessen werden kann, da primäre Radikale schnell invertieren. Für die Rückreaktion (Methanoxidation) würde ein solcher Mechanismus eine C-H-Aktivierung an Methan mittels eines Thiyl-Radikals darstellen, was stark endergon wäre und noch nie gezeigt werden konnte.

Alternative Mechanismen Eine Oxidative Addition wurde als erster Schritt der Methanoxidation in Betracht gezogen. Eine andere Möglichkeit ist eine Protonierung von Coenzym F430 als erstes ZwischenproduktEvert C. Duin, Michael L. McKee: A New Mechanism for Methane Production from Methyl-Coenzyme M Reductase As Derived from Density Functional Calculations. In: The Journal of Physical Chemistry B. 112, Nr. 8, 2008, S. 2466–2482, ..

Einzelnachweise

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